Impulsions interagissant collectivement avec le verre pour des effets optiques non linéaires dans la fabrication additive – PIONEAR

Le verre présente plusieurs propriétés intéressantes, comme une excellente inertie chimique, une faible conductivité thermique, une forte résistivité électrique et une bonne transparence optique. Ces caractéristiques le rendent indispensable dans les secteurs du médical, de la pharmacie et de la chimie, ainsi que dans les applications du quotidien. Cependant, le verre est fragile, sensible à la chaleur et difficile à manipuler. Le micro-usinage de précision par laser femtoseconde s'est imposé comme un outil puissant pour traiter et usiner le verre en utilisant des sources disponibles dans le commerce à des longueurs d'onde proches de 800-1000 nm. Tirant parti de l'absorption non linéaire, ces lasers permettent d'effectuer des modifications de surface ou en volume très localisées, telles que le marquage, le perçage, la découpe et le soudage transparent. Malgré ces avancées, la fabrication additive du verre transparent reste un défi non résolu, contrairement aux métaux et aux polymères, pour lesquels l'impression 3D est bien établie.
Les lasers, souvent des sources à rayonnement continu (cw), sont bien adaptés à la fusion et à la solidification localisées des métaux en raison de leur dépôt d'énergie précis. Toutefois, cette approche est moins efficace pour les matériaux transparents comme le verre. Dans de tels milieux, les lasers à rayonnement continu émettant dans le visible ou le proche-infrarouge sont confrontés à des verrous importants : la faible absorption entraîne un mauvais confinement de l'énergie, la majeure partie de l'énergie incidente étant transmise ou diffusée et seule une petite fraction chauffant le point focal. De légères variations du coefficient d'absorption peuvent perturber gravement le dépôt d'énergie, réduisant ainsi le contrôle et la répétabilité du procédé. Les tentatives visant à résoudre ces problèmes à l'aide de matériaux liants ou de lasers CO2 émettant à une plus grande longueur d'onde introduisent souvent des défauts tels qu'une décoloration jaunâtre, un rétrécissement, une distorsion, ou l’apparition de bulles et des fissures.
Le projet PIONEAR propose une nouvelle approche de la fabrication additive du verre basée sur l'absorption non-linéaire à l'aide de lasers ultrabrefs fonctionnant en mode rafale GHz. Contrairement aux impulsions femtosecondes standard, cette méthode consiste à répartir l'énergie requise sur plusieurs impulsions de moindre énergie au sein de rafale à très haute cadence. De cette manière, l’intensité de chacune des impulsions individuelles dans la rafale se situent bien en dessous du seuil d'ablation, mais avec une puissance de crête suffisante pour entraîner une absorption multiphotonique. Par conséquent, notre méthode s'apparente davantage à la microscopie ultrarapide qu'au traitement conventionnel ultrarapide des matériaux. Il est essentiel que les impulsions d'une rafale interagissent collectivement avec le verre, car les intervalles de l'ordre de la picoseconde, voire sub-nanoseconde, qui les séparent garantissent que les effets transitoires sur les matériaux s'accumulent tout au long de la rafale. En revanche, en maintenant la durée de la rafale courte, la diffusion de la chaleur au-delà du volume focal est minimisée.
Le projet PIONEAR vise à établir la preuve de concept de la fabrication additive du verre, en faisant passer la technologie du TRL 1 au TRL 3. Notre objectif est d'acquérir de nouvelles connaissances fondamentales sur la manière dont des rafales d'impulsions ultrabrèves très rapprochées peuvent chauffer – sans ablation - des diélectriques transparents tels que le verre, par absorption non linéaire. Nous appliquerons ces connaissances à l'impression d'objets millimétriques, tels que des « scaffolds » en bio-ingénierie ou des composants optiques comme des lentilles bi- ou multifocales, à partir de billes de verre.